Техногенное шумовое загрязнение Баренцева моря и его влияние на биологию кольчатой нерпы

Актуальность исследования.

Деятельность человека в мировом океане и, в частности, в полярных морях затрагивает естественный ареал обитания морских млекопитающих и, как следствие, оказывают разностороннее воздействие на биологию этих животных. Благодаря многолетним исследованиям экологических, океанологических, биологических процессов Баренцева моря, получены достаточно подробные описания динамики наблюдаемых явлений, позволяющие осуществлять долговременные прогнозы, имеющие как общенаучное, так и существенное прикладное значение (Научно-методические подходы., 1997, Матишов, Денисов, 1999; Макаревич, 1997; Дженюк, 1997; Дале, Матишов, Кэрролл, 2008; Матишов, Шавыкин, Макаревич, 2008; Архипова, Шавыкин, Шарифуллин, 2009; Матишов, Мишина, 2010; и др.). При этом, такой распространенный и важный фактор как акустический шум, остается мало изученным.

Морские млекопитающие сегодня гибнут от химического загрязнения, а также от механического воздействия (попадают в работающие винты, запутываются в сетях и тралах, бьются о корпус судов). Однако, очень мало известно о последствиях долговременного и импульсного воздействия на их организм шумов мирового океана антропогенной природы.

Кроме естественных, в том числе, биогенных акустических сигналов в настоящее время на обитателей морей оказываются мощные акустические воздействия антропогенной природы. В процессе развития прибрежной и морской инфраструктуры, уровень шумового загрязнения мирового океана неизбежно увеличивается. Шумы возникают при эксплуатации водных и воздушных транспортных средств, на этапе строительства различных объектов (очистка территории от потенциально опасных объектов, дноуглубительные работы, забивка свай, непосредственно строительство), при прокладке коммуникаций (газои нефтепроводы, силовые и информационные кабели), в процессе первоначального запуска и эксплуатации объектов.

Из-за активного судоходства в Баренцевом море, а также разработки арктического шельфа с использованием буровых платформ уровень шумов, вызванных антропогенными факторами в акватории Баренцева моря весьма высок.

Таким образом, актуальной представляется проблема — оценить насколько критично шумовое загрязнение моря для настоящих тюленей, в том числе, для кольчатой нерпы, как это проявляется в их поведении, режиме питания, уровне здоровья.

Область исследования в общей проблематике океанологииантропогенное шумовое воздействие на экосистемы Мирового океана, определяющие специфический характер взаимодействия обитателей океанаметоды исследований, моделирования и прогноза процессов и явлений в океанах и морях.

Цель работы. Изучение влияния модельных воздействий постоянными низкочастотными и импульсными шумами на суточную динамику поведения, пищевую мотивацию и реализацию поведенческих навыков представителей вида кольчатая нерпа (Pusa hispida Schreber, 1775) в условиях неволи.

Задачи исследования.

1. Проанализировать существующие представления о значимости акустических шумов в жизни океана, о характере влияния шумового загрязнения антропогенной природы на морских млекопитающих.

2. Определить особенности суточной активности кольчатой нерпы, свойств высшей нервной деятельности, проявляющихся в формировании навыков обусловленного поведения, в их реализации и устойчивости в течение времени в определенных океанологических условиях.

3. Проследить параметры суточной активности, пищевой мотивации, особенности реализации сформированных поведенческих навыков при воздействиях постоянного низкочастотного шума.

4. Исследовать реактивность животных в параметрах поведенческой активности, пищевой мотивации, устойчивости реализации сформированных поведенческих навыков в ответ на импульсное шумовое воздействие (подводный взрыв).

5. Разработать тест-систему на примере кольчатой нерпы для контроля допустимых интенсивностей шумового загрязнения арктических морей.

Научная новизна результатов исследования.

1. Впервые определены условия формирования пищевой мотивации, особенности ее устойчивости в течение времени и роли в образовании актов обусловленного поведения.

2. Описаны феномены околосуточной (циркадианной) динамики поведенческой активности особей кольчатой нерпы в условиях содержания, приближенных к естественным.

3. Впервые создана модель изучения воздействия импульсными и тоническими низкочастотными шумами на ластоногих, на примере кольчатой нерпы.

4. Получены новые данные об изменении поведения животных и проявлений их высшей нервной деятельности при воздействии импульсных и тонических низкочастотных шумов. Показано, что тоническое шумовое воздействие может оказывать на кольчатую нерпу не только тревожащее воздействие, но и формировать состояние повышенной работоспособности в модели обусловленного поведения.

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Использованные интенсивности тонического и импульсного шумового воздействия, близкие к параметрам обычных для акватории Баренцева моря антропогенных шумов, обладают сигнальной значимостью для представителей кольчатой нерпы, оказывают на животных общее тревожащее воздействие, в ряде случаев отмечен эффект повышения работоспособности в модели обусловленного поведения.

2. Кольчатые нерпы обладают высокой адаптивностью к воздействиям антропогенных шумов при сохранении высокой пищевой мотивации.

3. Разработанная модель контроля состояния морских млекопитающих в условиях влияния на них шумовых воздействий с заданными параметрами может быть использована для разработки тест-систем контроля экологической обстановки арктических морей.

Теоретическое и практическое значение работы.

В работе рассмотрены вопросы изменения суточной активности, поведения морских млекопитающих при воздействии на них импульсных и тонических низкочастотных шумов, определены возможности адаптации животных к шумовым воздействиям.

Полученные результаты могут быть использованы при разработке разделов ОВОС по влиянию источников гидроакустического воздействия на морских млекопитающих, при проведении акустического мониторинга в рамках производственного экологического мониторинга при строительстве и эксплуатации объектов промышленных добывающих предприятий на арктическом шельфе.

Полученные данные позволяют оценить ущерб от влияния акустического шума на объекты животного мира в районе возможного акустического воздействия.

Апробация работы. Результаты предварительных исследований и результаты диссертационного исследования представлялись на XX съезде Физиологического общества им. И. П. Павлова (Москва, 2007), на IV Всероссийской конференции по поведению животных (Москва, 2007), на Международной науч.-практической конференции «Морские биотехнические системы. Биологические и технические аспекты» (г. Ростов-на-Дону, 2008), на ряде Международных конференций «Морские млекопитающие Голарктики» (Иркутск, 2002; С.-Петербург, 2006; Одесса, 2008; Калиниград, 2010; Суздаль, 2012) — на Международной научной конференции «Природа морской Арктики: современные вызовы и роль науки» (Мурманск, 2010) — на Научно-практическом семинаре «Морские животные на службе человеку» (Североморск, 2010).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в том числе 3 — в изданиях рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 3-х глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 194 страницах, включая 41 рисунок, 8 таблиц. Список использованной литературы содержит 285 источников, из которых 178 на иностранном языке.

Выводы.

1. Антропогенное шумовое загрязнение океана оказывает существенное влияние на жизнедеятельность морских млекопитающих, включая арктических ластоногих.

2. Определены индивидуальные параметры суточной активности кольчатой нерпы, особенности реализации и устойчивости навыков обусловленного поведения, реализующихся в конкретных океанологических условиях. Для каждой кольчатой нерпы были получены «портретные характеристики» поведенческой активности: суммарное время пребывания под водой за каждые последовательные тридцать минут, количество всплытий в минутувремя удержания целевого указателя (команда «таргет»), время выполнения поиска по команде «ищи».

3. Отмечено угнетающее действие повышенного шума фоновой природы на поведение нерп. При высоком уровне шума отмечается снижение частоты всплытий, большую часть времени животное находится под водой.

4. Показано, что использованные параметры шумового воздействия с частотой 600 Гц оказывают существенное раздражающее, тревожащее воздействие на ластоногих, при этом отмечено улучшение показателей работоспособности в модели обусловленного поведения.

5. Описаны феномены реактивности кольчатой нерпы в ответ на импульсное шумовое воздействие (подводный взрыв). Показано, что использованные параметры импульсного шумового воздействия были для животных существенными — животные отказываются от контакта с человеком на временной период, зависящий от мощности воздействия (297 секунд при мощности звуковой составляющей импульсного воздействия 186,73 дБ) — время удержания цели (команда «таргет») непосредственно после взрыва достоверно укорачивается. Отчетливо проявляются отдаленные эффекты воздействия — у экспериментального животного в ночной период активности, более чем через четыре часа после взрыва достоверно увеличивалось время пребывания под водой.

6. Для разработки мероприятий по снижению шумовой нагрузки на морских млекопитающих в регионах их естественного обитания создана тест-система контроля допустимых уровней шумового загрязнения.

Заключение

.

В работе выполнен анализ отечественной и зарубежной литературы, в которой обсуждаются вопрос влияния шума на морских млекопитающих.

Акустические шумы по-разному влияют на разные группы морских животных. Характер воздействия на ту или иную таксономическую группу зависит от частотной составляющей спектра шума, уровней звукового давления и времени воздействия. Особый интерес вызывает влияние шумовых воздействий на морских млекопитающих, в первую очередь, на арктических тюленей, включая кольчатую нерпу. На сегодняшний день целенаправленные исследования шумовых воздействий, и, особенно, в форме шумового загрязнения антропогенной природы, на физиологию и поведение арктических тюленей единичны и не раскрывают цельной картины данного процесса. В доступной литературе (Johnson, 1977; Hoover, 1988; Bowles, Stewart, 1980; Johnson et al., 1989; Frost, Lowry, 1993; Osborn, 1985; Richardson, 1995; Stewart, 1993; Stewart et al., 1993 и др.) сформировались представления, согласно которым, ластоногие, и, в частности, арктические тюлени, достаточно толерантны к умеренному акустическому воздействию, они или уходят от источника шума, или быстро перестают реагировать на него.

Основной интерес отечественных исследователей связан с фундаментальными проблемами физиологии сенсорных систем морских организмов и представлен узким кругом авторов: Г. Н. Солнцева (1973) — J1.C. Богословская, Г. Н. Солнцева (1979) — А .Я. Супин (2004) — Е. В. Романенко (1997; 2004) — В. М. Муравейко и др. (1992; 1994).

Тем не менее, все возрастающая антропогенная нагрузка на обитателей морских экосистем в местах освоения мирового океана, как правило, вызывает беспокойство, что и определяет уход животных из мест традиционного обитания, питания, размножения. В ряде случаев авторами отмечается гибель планктона (McCauley, 1994; McCauley et al., 2003;

Заключение

2005), существенное влияние на состояние рыб или ее гибель (Муравейко и др., 1992; McCauley, 1994; Turnpenny and Nedwell, 1994; Заключение., 2005). Непосредственное шумовое воздействие на морских млекопитающих может играть существенную тревожащую роль, что может вызывать панику среди больших групп животных и приводить к их гибели (Fay, 1981; Johnson et al., 1989; Ovsyanikov et al., 1994).

Анализ литературы (Мухаметов, Лямин, 1997; Матишов и др., 2010) позволил сформировать представления о том, что имеющиеся знания о свойствах высшей нервной деятельности животных, об их индивидуальных особенностях, и мониторинг поведенческой активности позволяют формулировать заключения о том, в каком состоянии находятся животное, насколько оно комфортное или имеют место признаки напряжения и стресса.

В ходе данного исследования разработана модель, в рамках которой животные располагались в морских вольерах, где были естественными влияния океанологических условий: температуры, солености, и других океанологических факторов. В качестве раздражителей нами использовались шумы, близкие по своим характеристикам звукам, которые издают технические средства, находящиеся в океане — звукам близко проходящего (до 200 м) крупнотоннажного судна.

Исследование проводилось в несколько этапов: анализ океанологических условийработа с животными, начиная от приручения двух молодых кольчатых нерп к условиям неволи, формирования комплекса навыков — выработка устойчивого выполнения команд тренера «таргет» и «ищи» — форм обусловленного поведенияполучение сведений об естественной динамике поведенческой активности животных в условиях вольерного содержанияоценка влияния на состояние животных и особенности их высшей нервной деятельности тонических шумовых воздействий (при подводном размещении источника шума, частотные характеристики шума, действующего в течение суток: 100, 300, 400, 600 Гц, при средней за сутки интенсивности — 98,8 дБ (трехкратный повтор)) — оценка влияния на состояние животных импульсного шумового воздействия (подводный взрыв) — 1, 2, 3, 4 имитационных патрона ИМ-82, 107 М, соответственно, мощностью 100 — 400 г тротилового эквивалента, и интенсивностью подводного шумового воздействия: 140,99- 174,38- 183,42- 186,73 (дБ).

Таким образом, нами был осуществлен мониторинг ряда океанологических параметров в регионе, в котором проводились исследования — акватория у мыса Тоня (Кольский залив). Исследуемый период — весна, начало лета — осень 2009;2010 г. г. Для большинства исследуемых параметров отмечены существенные сезонные изменения, соответствующие известным сведениям о климатических и океанологических условиях Кольского залива (Титов, 1969; Кольский залив., 1997).

Нами описаны выраженные внутрисуточные изменения параметра «уровень шума поверхностных вод», связанные с приливными процессами. В работе показано, что в отличие от феноменов изменений уровня температуры воды и солености, связанных в большей степени с приливными процессами (Гидрометеорология., 1990; Кольский залив., 1997), шумовой фон в воды акватории м. Тоня характеризовался выраженной суточной динамикой. Следует предположить, что наблюдаемая динамика интенсивности подводного шума определяется уровнем активности человека, как непосредственно на акваполигоне вблизи вольеров с животными, так и на акватории — шумом, производимым проходящими по Кольскому заливу судами.

Для каждой из двух кольчатой нерп были получены «портретные характеристики» поведенческой активности: суммарное время пребывания под водой за каждые последовательные тридцать минутколичество всплытий в минуту. Оба параметра характеризуются тремя пиками снижения значений, связанными с кормлением и участием в тренировке — с 10−00 до 11.

00 и с 17−00 до 18−00 и с ночным периодом с 23−00 до 4−00. В ожидании тренера, приносящего пищу, животные увеличивают время пребывания на поверхности (показатель — время пребывания под водой снижается), снижается частота погружений-всплытий под воду. В ночной период при минимальной активности людей, находящихся вблизи вольеров, минимальной судоходной активности, животные отдыхают, зависая у поверхности воды или лежа на помосте вольера.

Для каждого животного получены устойчивые и индивидуально различаемые характеристики (усреднение за 13 дней наблюдений, рис.41) особенностей высшей нервной деятельности — время удержания целевого предмета (таргета) по команде «таргет» и время поиска предмета по команде «ищи», описаны индивидуальные особенности выполнения команд в отдельные тренировочные дни.

Проведенные исследования позволили отметить, что оба животных в целом характеризуются сходными свойствами высшей нервной деятельности: время удержания «таргета»: Масяня — 2,82±0,56 сРэмбо -2,35±0,25 свремя выполнения команды «ищи»: Масяня — 3,55±0,45 сРэмбо — 3,25±0,34 с. В работе не было выявлено достоверных различий исследуемых параметров в паре сравнения: утренняя — вечерняя тренировкане были отмечены выраженные особенности работоспособности в зависимости от климатических и океанологических условий.

Исследование влияние на животных тонических шумовых воздействий (трехкратное повторение четырех различающихся по частоте звуковых колебаний воздействий) позволило отметить, что стимуляция оказывает существенное влияние на поведение ластоногих, что отражается в росте времени пребывания под водой, достоверно в ночной период суток (с 23:00 до 4:00), и в росте частоты всплытий. Совокупность полученных фактов позволяет утверждать, что использованные параметры шумового воздействия оказывают существенное раздражающее, тревожащее воздействие на ластоногих. Характер воздействия по своим параметрам соответствует шуму, производимому близко проходящими кораблями {Bonner, 1982; Fay et al., 1984; Johnson et al., 1989; Brueggeman et al., 1992), работающими буровыми платформами {Ward, Pes sah, 1986; Brueggeman et al 1991; Gallagher et al, 1992; Brewer et al, 1993; Hall et al, 1994) и т. д. Полученные нами данные позволяют с еще большей уверенностью утверждать, что факты шумового загрязнения естественных ареалов обитания морских млекопитающих могут оказать существенное влияние на миграции животных, традиционные регионы питания и выращивания потомства {Fay, Kelly 1982; Fay et al., 1984; Johnson et al, 1989).

Шумовое воздействие и, особенно, с частотой 600 Гц, оказывает стабилизирующее влияние при выполнении нерпами команд тренера, нерпы в целом демонстрируют рост работоспособности, они меньше отвлекаются и четче выполняют команды — время удержания целевого предмета (таргета) удлиняется, а время поиска предмета по команде «ищи» становится более коротким. Сопоставление результатов сравнения фоновых параметров высшей нервной деятельности и особенностей выполнения команд после тонического шумового воздействия отражено на рисунке 41.

Обобщение данных дает основание для вывода — для обеих нерп при воздействии шумовой стимуляции с частотой 600 Гц характерно улучшение показателей работоспособности в модели обусловленного поведения.

Цифровые характеристики составили: время удержания «таргета»: Масяня — 3,57±0,21 сРэмбо — 3,23±0,11 свремя выполнения команды «ищи»: Масяня — 2,76±0,35 сРэмбо — 3,18±0,25 с. Время удержания целевого объекта «таргет» растет достоверно: для нерпы Рэмбо, в паре сравнения «время удержания „таргет“» фон — при тонической стимуляции 600 Гц, -критерий Стьюдента, Т=5,76, Р=0,048.

Исследование импульсного шумового воздействия (подводный взрыв) на поведение кольчатых нерп позволило отметить, что воздействие было для животных существенным. Животные со всплеском уходят под воду, через несколько секунд всплывают, совершают интенсивные круговые (мечущиеся) движения, всплытия-погружения, животные возбуждены, к тренеру не подходят, интерес к пище не проявляют. Но работоспособность, реализуемая на фоне выраженной пищевой мотивации, достаточно быстро восстанавливается. Отмечается зависимость от интенсивности взрыва: если при мощности шумовой составляющей 140,99 дБ время восстановления составило 16 секунд, то при мощности 186,73 — уже 297 секунд.

Тревожащий эффект взрыва отражается и в параметрах высшей нервной деятельности в реализации модели обусловленного поведения (время удержания таргет), особенно четко это проявляется при сравнении с контрольным животным, с которым тренировка проводилась через 12−14 минут после проведения взрыва. Имеют место длительные следовые эффекты в суточной динамике двигательной активности нерп.

Сопоставление результатов сравнения фоновых параметров высшей нервной деятельности и особенностей выполнения команд после стимуляции отражено на рисунке 11. В паре сравнения «время удержания „таргет“» фон — при тонической стимуляции 600 Гц, для нерпы Рэмбо выявлено достоверное изменение (критерий Стьюдента, Т=5,76, Р=0,048).

В ночное время животные ведут себя более беспокойно, достоверно большее время находятся под водой, тогда как в обычное время — отдыхают на помосте. При этом, при реализации обусловленного поведения отмечаются выраженные эффекты, восстановления. Вечерняя тренировка, проводимая через 7−8 часов после взрыва, практически не отличается по своим параметрам (время выполнения команд «таргет» и «ищи», количество ошибок) от тренировок, проводимых в исходном состоянии и от утренних тренировок.

Рисунок 41 — Сопоставление особенностей выполнения команд на разных этапах исследования.

Таким образом, проведенные исследования позволили отметить, что подводные взрывы являются существенным фактором общего шумового загрязнения Океана. Подводные и надводные взрывы проводятся в настоящее время весьма широко при разных видах хозяйственной деятельности человека, в том числе в рамках решения военных задач (Балашканд, 1977, Mate, Harvey, 1987, Gentry et al, 1990, Adushkin, 2004, Телегин, 2004, Gitterman, 2008). Возмущение в воде при взрыве происходит при выходе детонационной волны на поверхность заряда. При этом давление в ее фронте составляет для тротила величину порядка 140 тыс. кг/см2. Одновременно происходит расходящееся движение воды и создание интенсивной волны движения. Вслед за этим начинают расширяться сильно сжатые продукты детонации или горения, их давление уменьшается, а, следовательно, быстро падает и давление в воде. В случае взрыва тротила импульс давления имеет крутой передний фронт, за которым следует область давления, затухающая по экспоненциальному закону. Продолжительность затухания не превышает нескольких миллисекунд. Одной из наиболее существенных особенностей распространения взрывного звука является дисперсия скорости звука (Коул, 1950). При действии взрыва в слое воды в нем распространяется набор цилиндрических волн, имеющих различную фазовую скорость, которые с полным правом можно назвать — импульсным шумом. При действии взрывного источника мы имеем дело со спектром частот, причем волна каждой частоты распространяется со своей фазовой скоростью. Шум, производимый при подводных взрывах, проявляется как начальный ударный импульс, за которым следует ряд колеблющихся пульсаций. Пиковые уровни импульса потенциально могут привести к акустическим травмам и повреждению тканей, если отдельные млекопитающие будут находиться в непосредственной близости к месту взрыва {Ketten, 2001).

В литературе описано, что у китообразных, находящихся в непосредственной близости от района, в котором производились взрывные работы, отмечаются случаи потеря слуха или повреждение мягких тканей тела, однако на уровне популяции воздействие считается обратимым {Richardson et al., 1995, Ketten, 2001). Описание травматических эффектов подводных взрывов на ластоногих в литературе вообще отсутствует {Gentry et al, 1990; Greene, 1995). До настоящего времени видоспецифичные пороги реакции морских млекопитающих на шумовые импульсы в литературе так же не описаны.

Таким образом, нами впервые были описаны феномены изменение поведения животных и свойств их высшей нервной деятельности в условиях модели при воздействии импульсных и тонических низкочастотных шумов. Показано, что тоническое шумовое воздействие может оказывать на животных не только тревожащее воздействие, но формировать состояние повышенной работоспособности в модели обусловленного поведения.

Полученные результаты, в том числе и сама разработанная методика проведения исследований, могут быть использованы при разработке тест-систем контроля влияния на морских млекопитающих проведения работ на морском шельфе по разработке месторождений с применением буровых установок, а также проведении сейсморазведки. С учетом полученных данных можно подойти к расчетам величины ущерба биоте региона.